非線性光學主要(yao)是研究(jiu)強(qiang)光和(he)弱光與物(wu)質之間(jian)相互影響，從而產生一些新奇的(de)物(wu)理(li)效應的(de)學科。

非線(xian)(xian)性(xing)(xing)光學打破常規(gui)線(xian)(xian)性(xing)(xing)物(wu)(wu)理現象，使用強光與物(wu)(wu)質相互作用從而(er)(er)改變物(wu)(wu)質本身的(de)(de)光學特性(xing)(xing)。而(er)(er)產生三階非線(xian)(xian)性(xing)(xing)極化效應(ying)的(de)(de)介質，既(ji)可以是各(ge)向異性(xing)(xing)的(de)(de)晶體介質，也可以是各(ge)向同性(xing)(xing)的(de)(de)介質，具有普遍(bian)性(xing)(xing)。

近(jin)年來，隨著科技的(de)(de)不斷進步光(guang)學領(ling)域迅速(su)發展，微納(na)結構(gou)增強薄膜三(san)階光(guang)學非線(xian)性(xing)成(cheng)為(wei)當下研究的(de)(de)熱點(dian)問題。三(san)階非線(xian)性(xing)光(guang)學材料具有(you)大的(de)(de)應(ying)用前景，讓其研究熱度一(yi)直居高不下。更重要的(de)(de)是(shi)非線(xian)性(xing)光(guang)學的(de)(de)出現不僅重新定義了(le)人們對新材料和結構(gou)研究方法以及應(ying)用的(de)(de)認知，還激發了(le)應(ying)用領(ling)域井噴式的(de)(de)創(chuang)新發展。

光入(ru)射進入(ru)介(jie)質引發(fa)非(fei)線(xian)性(xing)(xing)(xing)吸(xi)收時(shi)，其(qi)吸(xi)收由線(xian)性(xing)(xing)(xing)和非(fei)線(xian)性(xing)(xing)(xing)兩(liang)部(bu)分組(zu)成，線(xian)性(xing)(xing)(xing)吸(xi)收不隨(sui)光強變化產生(sheng)影響，非(fei)線(xian)性(xing)(xing)(xing)吸(xi)收在材料(liao)的損(sun)傷閾值內(nei)隨(sui)光強的變化而發(fa)生(sheng)改變。

光(guang)與介(jie)質(zhi)之(zhi)間相互(hu)作(zuo)用我們主要針(zhen)對(dui)三階非線(xian)性吸(xi)收(shou)(shou)進行(xing)分(fen)析其主要包括飽和吸(xi)收(shou)(shou)、反向飽和吸(xi)收(shou)(shou)、雙光(guang)子(zi)吸(xi)收(shou)(shou)、自由載流子(zi)吸(xi)收(shou)(shou)等。

飽和吸收：

當強光入(ru)射(she)進(jin)入(ru)介質，入(ru)射(she)光強增(zeng)大(da)到一定范(fan)圍介質對入(ru)射(she)光的吸收(shou)逐漸飽和(he)。

入(ru)射光(guang)繼(ji)續(xu)增強(qiang)，介質對入(ru)射光(guang)不(bu)再吸收(shou)，大于(yu)飽(bao)和值的(de)光(guang)則透過介質。電子弛豫時(shi)長大于(yu)光(guang)子對材料(liao)的(de)激發(fa)速率進(jin)而引發(fa)了材料(liao)的(de)飽(bao)和吸收(shou)。

入(ru)射光(guang)強(qiang)的(de)不斷(duan)增(zeng)大使得介質中的(de)電(dian)子從(cong)基逐(zhu)漸向激發態轉移，當基態的(de)電(dian)子全(quan)部被激發到激發態。

重新弛(chi)豫時間不足電子無法回到(dao)基態(tai) ，光(guang)強增大到(dao)一(yi)定范圍基態(tai)電子全部到(dao)達激發態(tai)出現了基態(tai)漂白。

這時基態沒有電子需(xu)要弛(chi)豫(yu)通(tong)常會出(chu)現(xian)單光(guang)子吸(xi)(xi)收，而單光(guang)子吸(xi)(xi)收又分(fen)為(wei)兩大(da)類(lei)型其(qi)中包括(kuo)直接躍遷(qian)和間(jian)接躍遷(qian)兩種(zhong)。直接躍遷(qian)類(lei)型指的是電子直接從下能(neng)級(ji)的導帶被激發至上(shang)能(neng)級(ji)的價帶。

直(zhi)接躍(yue)遷(qian)的出現(xian)主要源(yuan)于材料的兩個(ge)能帶(dai)(dai)直(zhi)接在(zai) K-K 空間對稱，即使不(bu)(bu)存在(zai)橫向(xiang)的動量守恒(heng)(heng)也(ye)能進行直(zhi)接躍(yue)遷(qian)。間接躍(yue)遷(qian)指的是能級之間不(bu)(bu)能直(zhi)接進行躍(yue)遷(qian)，在(zai)不(bu)(bu)滿(man)足橫向(xiang)動量守恒(heng)(heng)的情況下，下能級的導(dao)帶(dai)(dai)與上能級的價帶(dai)(dai)能帶(dai)(dai)的 K 值不(bu)(bu)同，動量守恒(heng)(heng)是其躍(yue)遷(qian)的必要條件(jian)。

實現動量守(shou)恒必須通(tong)過吸收來進行間接(jie)躍遷。飽和(he)吸收的類型(xing)多樣可控性(xing)好在眾多良好的非線性(xing)材(cai)料(liao)(liao)中都存在，在激光器(qi)激光諧(xie)振腔器(qi)件(jian)和(he)吸收保護薄膜(mo)材(cai)料(liao)(liao)領域的應用上(shang)十分廣泛。

反飽和吸收：

當強(qiang)光(guang)入(ru)射(she)進入(ru)介質，入(ru)射(she)光(guang)強(qiang)增(zeng)大(da)到一定范圍介質對入(ru)射(she)光(guang)的(de)吸(xi)收(shou)逐(zhu)漸飽(bao)和，入(ru)射(she)光(guang)繼續增(zeng)強(qiang)，介質對入(ru)射(she)光(guang)吸(xi)收(shou)突破(po)材料(liao)飽(bao)和吸(xi)收(shou)閾值極(ji)限繼續對入(ru)射(she)光(guang)進行吸(xi)收(shou)的(de)現象(xiang)被稱為反飽(bao)和吸(xi)收(shou)現象(xiang)。

材料具(ju)有(you)(you)反飽和(he)吸(xi)收(shou)性(xing)質(zhi)當(dang)入射光強不斷增大(da)(da)(da)時，介質(zhi)本身的基態(tai)(tai)和(he)激(ji)(ji)發(fa)(fa)態(tai)(tai)具(ju)有(you)(you)的吸(xi)收(shou)激(ji)(ji)發(fa)(fa)態(tai)(tai)大(da)(da)(da)于(yu)基態(tai)(tai)，其激(ji)(ji)發(fa)(fa)態(tai)(tai)吸(xi)收(shou)截(jie)面也大(da)(da)(da)于(yu)基態(tai)(tai)，進而(er)激(ji)(ji)發(fa)(fa)態(tai)(tai)的吸(xi)收(shou)變大(da)(da)(da)來源于(yu)很多的電子泵(beng)浦。

如果(guo)入射光強較弱，材料(liao)(liao)在線性(xing)領域不會激(ji)發非線性(xing)吸(xi)收(shou)，這(zhe)樣(yang)能使材料(liao)(liao)具有較高的線性(xing)透過率，當入射光強增(zeng)大材料(liao)(liao)激(ji)發非線性(xing)吸(xi)收(shou)，材料(liao)(liao)對入射光進行吸(xi)收(shou)攔截，利用這(zhe)種性(xing)質(zhi)我們可以制作(zuo)光限幅材料(liao)(liao)和全光開關。

雙光子吸收：

強光入(ru)射樣(yang)品對入(ru)射光在從低能級到高(gao)能級的過程中產生的吸(xi)收(shou)(shou)，一個光子(zi)不足以使其躍遷進而對入(ru)射光繼續(xu)吸(xi)收(shou)(shou)一個光子(zi)的非線性吸(xi)收(shou)(shou)類型被稱(cheng)為雙光子(zi)吸(xi)收(shou)(shou)。

雙(shuang)光(guang)(guang)(guang)子吸(xi)收(shou)效(xiao)應的(de)(de)產生既可(ke)以是單光(guang)(guang)(guang)束入(ru)射也(ye)可(ke)以是雙(shuang)光(guang)(guang)(guang)束入(ru)射，入(ru)射光(guang)(guang)(guang)源一(yi)般為脈沖激光(guang)(guang)(guang)，介(jie)(jie)質(zhi)中電子能級間的(de)(de)躍遷所要吸(xi)收(shou)的(de)(de)能量大小(xiao)為光(guang)(guang)(guang)子能量大小(xiao)的(de)(de)兩倍。被激發的(de)(de)介(jie)(jie)質(zhi)因為強(qiang)光(guang)(guang)(guang)入(ru)射對(dui)單光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)一(yi)對(dui)光(guang)(guang)(guang)子進行吸(xi)收(shou)。

當雙光(guang)(guang)束(shu)(shu)入射(she)通過介質時(shi)，兩(liang)(liang)個入射(she)光(guang)(guang)束(shu)(shu)的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)之和圖片與被照(zhao)射(she)樣品(pin)之中的(de)(de)(de)電子躍遷所需(xu)要的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)相同(tong)，那么被照(zhao)射(she)的(de)(de)(de)介質會同(tong)時(shi)對兩(liang)(liang)束(shu)(shu)入射(she)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)子進行(xing)雙光(guang)(guang)子吸收，通過樣品(pin)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)束(shu)(shu)進行(xing)監測會發現兩(liang)(liang)束(shu)(shu)入射(she)光(guang)(guang)同(tong)時(shi)衰減。

雙(shuang)光(guang)(guang)子(zi)(zi)吸(xi)收(shou)的(de)物理(li)模型可以理(li)解為介質中電子(zi)(zi)進(jin)行能級躍遷因(yin)為無法一(yi)次性吸(xi)收(shou)一(yi)個(ge)光(guang)(guang)子(zi)(zi)進(jin)行躍遷因(yin)此(ci)需要進(jin)一(yi)步吸(xi)收(shou)光(guang)(guang)子(zi)(zi)，當吸(xi)收(shou)一(yi)個(ge)光(guang)(guang)子(zi)(zi)時電子(zi)(zi)躍遷到處于(yu)低能級和高(gao)能級之(zhi)間的(de)虛擬態，吸(xi)收(shou)第二個(ge)光(guang)(guang)子(zi)(zi)整個(ge)躍遷過程完成電子(zi)(zi)到達高(gao)能級。

雙(shuang)光子(zi)(zi)(zi)吸(xi)收(shou)(shou)屬于典型(xing)的瞬態吸(xi)收(shou)(shou)，當吸(xi)收(shou)(shou)雙(shuang)光子(zi)(zi)(zi)也不能(neng)完成能(neng)級躍遷時(shi)介質可以吸(xi)收(shou)(shou)更多(duo)的光子(zi)(zi)(zi)進行能(neng)級躍遷被稱為多(duo)光子(zi)(zi)(zi)吸(xi)收(shou)(shou)。擁有(you)雙(shuang)光子(zi)(zi)(zi)吸(xi)收(shou)(shou)特性的材(cai)料(liao)對(dui)光限(xian)幅(fu)、信息(xi)儲存(cun)等多(duo)方(fang)面都有(you)很廣(guang)泛的應用。

自由載流子吸收：

自由載流子吸(xi)收(shou)的出現會伴隨著多(duo)光子吸(xi)收(shou)，屬于非線性瞬態吸(xi)收(shou)。

當入(ru)射光刺(ci)激介質產生雙光子(zi)吸(xi)收(shou)，電子(zi)吸(xi)收(shou)能(neng)量躍遷到(dao)導帶后進入(ru)更高的能(neng)級電子(zi)因為(wei)自(zi)身吸(xi)收(shou)能(neng)量過多掙脫束縛成(cheng)為(wei)自(zi)由載流(liu)(liu)子(zi)，自(zi)由載流(liu)(liu)子(zi)吸(xi)收(shou)通常(chang)容易在半導體非線(xian)性介質中被觀(guan)測(ce)到(dao)。

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